CN110867917B - 一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，包括设计三相谐振补偿拓扑、确定优化目标及功率稳定性判据，基于优化目标，设计发射线圈结构，并进行功率波动分析，最终达到改善接收装置的功率波动问题的目的。本发明从三维无线电能传输系统向三维空间传输能量的特点出发，从功率稳定的角度来优化设计谐振拓扑和发射线圈结构，克服了传统意义上“一对一”无线充电模式中缺乏灵活性等的问题，从理论上为实现功率的“一对多”传输以及负载的功率稳定提供了方法借鉴，为小功率无线充电系统的应用发展提供了理论支撑。

Description

一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
近年来，无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术作为一种新型的充电技术并以其独有的优势得到了快速发展，并且广泛应用于电动汽车、手机、植入式医疗设备等领域中。然而，目前大多采用“一对一”的无线充电系统，并且当接收线圈发生横向、纵向或者角度偏移时，收发线圈之间的互感会相应减弱，从而降低了系统的传输性能。此外，“一对一”的充电模式在很大程度上也限制了WPT系统应用的灵活性，并且不利于资源的有效利用。因此，如何实现功率的“一对多”传输，并且在负载接入或者移除时保证系统中负载功率的稳定是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，该方法从空间无线电能传输系统的特点出发，并且从功率稳定的角度对系统拓扑及结构进行设计，解决了当前“一对一”充电模式中缺乏灵活性、资源利用率不高、功率波动显著等问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
步骤一：求解最大负载接收功率：通过电路分析，求解基于互感等效模型下的最大输出功率表达式为
Figure BDA0002258175480000011
定义U为输出输入电压有效值，LP为发射线圈的电感值，RL为负载的等效电阻，MAn、MBn和MCn(n＝1,2,…)为发射线圈A、B、C与第n个接收线圈之间的互感；
步骤二：定义功率稳定性判断条件：定义F为衡量负载偏移角变化过程中的功率波动程度，Pmax、Pmin分别为最大接收功率下，在负载偏移过程中的最大、最小接收功率，Fmax为系统所允许的最大功率波动率
Figure BDA0002258175480000012
当负载的波动率小于等于系统所允许的最大功率波动，则可认为所设计的系统符合应用要求。
步骤三：设计发射线圈，包括：
1)设计单相发射线圈：
2)计算单相收发线圈互感：
3)设计三相发射线圈。
作为本发明的一种改进，该方案中，三维无线充电应用场景包括展示台、发射线圈、典型接收设备(手机)、轨道以及滑块，轨道半径即为原副线圈之间的传能距离，但不仅仅局限于此应用场景；所述发射线圈放置在展示台的中心，在空间范围内辐射均匀的电磁场，轨道安装在展示台面上，轨道上放置有滑块，用来固定典型接收设备(手机)并使得手机正对接收线圈的圆心，此外，滑块可以根据需求在轨道上任意移动。当客户将手机从滑块上取下体验手机时，手机停止充电；当将手机放回至滑块上时，手机继续充电。该方案对于手机来说，可以减小因客户频繁拔插充电头而引起的充电头损坏，产生火花等问题，同时也可以减少充电线好热充电头频繁拔插带来的繁琐性。
作为本发明的一种改进，所述步骤三中，具体如下：
1)设计单相发射线圈，建立单相发射线圈结构模型，求解得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值随偏移角的变化趋势，掌握互感随偏移角的变化特点；通过上述分析可知，三相LCC-S谐振补偿拓扑可以解决负载接入或者移除带来的功率波动问题，而为了解决负载偏移引起的功率波动问题，建立单相发射线圈结构图，各线圈臂之间相差60度。而接收线圈采用了最为简单的矩形线圈，单相发射线圈与接收线圈的俯视图如图4所示，θ角为接收线圈的偏移角或者是两接收线圈之间的夹角，原副线圈之间的互感M随着接收线圈偏移角θ的改变而改变；
2)计算单相收发线圈互感：根据聂以曼公式可以计算得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值M，并且可以得到单相发射线圈与接收之间的互感随偏移角θ的变化特点并且互感变化周期为60°，恰好与发射线圈各桥臂之间的度数相吻合；这说明互感的周期与发射线圈几何结构对应的周期相吻合。但是当接收线圈与发射线圈桥臂垂直时，互感为0，即负载接收功率存在死区，不利于负载接收功率的稳定；
3)设计三相发射线圈：根据单相收发线圈互感变化特点，合理设计三相发射线圈位置分布，使得系统功率波动满足所允许的最大功率波动。
作为本发明的一种改进，单相发射线圈各桥臂之间的夹角为60°，三相发射线圈由3个三相发射线圈组成，并且相互之间的夹角为20°，并且3个单相发射线圈之间的中心轴重合。可以使得发射线圈的磁场足够均匀，以保证负载在圆周各个位置处接收到的功率恒定
相对于现有技术，本发明的技术效果如下：1)本发明的设计方法从三维无线电能传输系统在空间中的能量分布特点出发，涵盖了三维无线电能传输系统从谐振补偿拓扑设计到单相发射线圈设计再到三相发射线圈优化设计等过程，为当前小功率无线充电系统的应用发展提供理论支撑，有助于实现功率的“一对多”传输，为无线充电系统的灵活性、经济性以及稳定性奠定基础；2)本发明的设计方法可应用于多负载对单发射线圈的场景，可以有效减小发射线圈的使用数量，降低无线充电系统的使用成本；3)本发明的三维无线充电系统可用实现能量在空间范围内的传输，解决了传统收发线圈正对要求严格的问题，扩大了负载的有效接收范围；4)本发明的设计方法具有工程指导意义，可以为后续小功率无线充电系统的推广与应用提供具体的指导。
附图说明
图1为多负载三维全向无线电能传输系统典型应用场景图；
图2为三相LCC-S谐振补偿拓互感等效模型图；
图3为单相发射线圈结构图；
图4为单相发射线圈与接收线圈的俯视图；
图5为单相发射线圈与接收之间的互感随偏移角θ的变化趋势图；
图6为不同偏移角度下三相互感之和随偏移角变化趋势图；
图7为三相发射线圈结构图。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和实施方式对本发明的设计方法做进一步说明。
实施例1：一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，所述方法包括以下步骤，
步骤一：求解最大负载接收功率：通过电路分析，求解基于互感等效模型下的最大输出功率表达式为
Figure BDA0002258175480000031
定义U为输出输入电压有效值，LP为发射线圈的电感值，RL为负载的等效电阻，MAn、MBn和MCn(n＝1,2,…)为发射线圈A、B、C与第n个接收线圈之间的互感；
步骤二：定义功率稳定性判断条件：定义F为衡量负载偏移角变化过程中的功率波动程度，Pmax、Pmin分别为最大接收功率下，在负载偏移过程中的最大、最小接收功率，Fmax为系统所允许的最大功率波动率
Figure BDA0002258175480000041
当负载的波动率小于等于系统所允许的最大功率波动，则可认为所设计的系统符合应用要求。
步骤三：设计发射线圈，包括：
1)设计单相发射线圈：
2)计算单相收发线圈互感：
3)设计三相发射线圈。
该方案中，三维无线充电应用场景包括展示台、发射线圈、典型接收设备(手机)、轨道以及滑块，轨道半径即为原副线圈之间的传能距离，但不仅仅局限于此应用场景；
所述发射线圈放置在展示台的中心，在空间范围内辐射均匀的电磁场，轨道安装在展示台面上，轨道上放置有滑块，用来固定典型接收设备(手机)并使得手机正对接收线圈的圆心，此外，滑块可以根据需求在轨道上任意移动。当客户将手机从滑块上取下体验手机时，手机停止充电；当将手机放回至滑块上时，手机继续充电；
所述步骤三中，具体如下：
(1)设计单相发射线圈，建立单相发射线圈结构模型，求解得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值随偏移角的变化趋势，掌握互感随偏移角的变化特点；通过上述分析可知，三相LCC-S谐振补偿拓扑可以解决负载接入或者移除带来的功率波动问题，而为了解决负载偏移引起的功率波动问题，建立了如图3所示的单相发射线圈结构图，各线圈臂之间相差60度。而接收线圈采用了最为简单的矩形线圈，单相发射线圈与接收线圈的俯视图如图4所示，θ角为接收线圈的偏移角或者是两接收线圈之间的夹角，原副线圈之间的互感M随着接收线圈偏移角θ的改变而改变；
(2)计算单相收发线圈互感：根据聂以曼公式可以计算得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值M，并且可以得到单相发射线圈与接收之间的互感随偏移角θ的变化特点如图5所示。并且互感变化周期为60°，恰好与发射线圈各桥臂之间的度数相吻合；这说明互感的周期与发射线圈几何结构对应的周期相吻合。但是当接收线圈与发射线圈桥臂垂直时，互感为0，即负载接收功率存在死区，不利于负载接收功率的稳定；
(3)设计三相发射线圈：根据单相收发线圈互感变化特点，合理设计三相发射线圈位置分布，使得系统功率波动满足所允许的最大功率波动。通过对单相收发线圈互感变化趋势特点，作出三相发射线圈在不同偏移角度下，三相互感之和随偏移角变化的曲线如图6所示。并且根据式(6)可以设计得到图7所示的发射线圈结构
其中，单相发射线圈各桥臂之间的夹角为60°，三相发射线圈由3个三相发射线圈组成，并且相互之间的夹角为20°，并且3个单相发射线圈之间的中心轴重合。
具体应用实施例：
1.构建多负载应用场景：
通过对当前小功率无线电能接收设备的充电需求分析，构建了如图1所示的多负载三维全向无线电能传输系统典型应用场景。具体包括展示台、发射线圈、典型接收设备(手机)、轨道以及滑块。其中发射线圈放置在展示台的中心，在空间范围内辐射均匀的电磁场，轨道为圆环形安装在展示台面上，轨道上放置有滑块，用来固定典型接收设备(手机)并使得手机正对接收线圈的圆心，此外，滑块可以根据需求在轨道上任意移动。当客户将手机从滑块上取下体验手机时，手机停止充电；当将手机放回至滑块上时，手机继续充电；
2.设定合理化假设：
基于上述应用场景，做出如下假设以简化分析：
(1)所有负载均分布在轨道所在的圆环上，并且接收线圈所在的平面均正对发射线圈的圆心，
(2)考虑到线圈的电抗值远小于线圈的内阻，并且对功率分析影响不大，因此假设线圈内阻为零，
(3)由于负载之间的交叉耦合可以通过补偿电容等方法加以消除，因此假设各接收线圈之间不存在交叉耦合；
3.设计三相谐振补偿拓扑：
(1)建立互感等效模型：由于三相S-S谐振补偿拓扑中负载接收功率会受到其他负载接入或移除的影响，为解决上述问题，提出了三相LCC-S谐振补偿拓扑，其互感等效模型如图2所示。定义LPA、LPB和LPC分别为A、B、C相的原边补偿电感，LA、LB、LC和LSn分别为A、B、C相发射线圈和接收线圈的电感，CPA、CPB和CPC分别为A、B、C相的原边补偿电容，CA、CB、CC和CSn分别为A、B、C相原边线圈和接收线圈的补偿电容，M为A、B、C相线圈之间的互感，MAn、MBn和MCn(n＝1,2,…)为发射线圈A、B、C与第n个接收线圈之间的互感，
Figure BDA0002258175480000052
和
Figure BDA0002258175480000053
(n＝1,2,…)分别为流过A、B、C相和第n个负载的电流，RLn(n＝1,2,…)表示第n个负载的等效电阻。为简化分析，假设RL1＝RL2＝...＝RLn＝RL，LPA＝LPB＝LPC＝LP；
(2)求解负载接收功率：为保证系统处于谐振状态，则系统参数满足
Figure BDA0002258175480000051
考虑到单相LCC谐振补偿拓扑发射线圈具有恒流源特性，并且该结论同样适用于三相LCC谐振补偿拓扑，因此可以将流过原边线圈中的电流表示为
Figure BDA0002258175480000061
其中
Figure BDA0002258175480000062
根据图2，通过列写KVL方程可以求解得到第n个负载的接收功率为
Figure BDA0002258175480000063
(3)计算最大接收功率：根据式(4)可知，当cosα＝1，cosβ＝1并且cos(α-β)＝1时，即当α＝β＝0°时负载接收到的功率最大，最大接收功率为
Figure BDA0002258175480000064
根据式(4)和(5)可知，当系统参数(U、LP、RL、α、β)确定时，负载接收到的功率只与负载所在位置处与A、B、C相线圈的互感有关，并且负载接收到的最大功率只与负载所在位置处与A、B、C相线圈互感之和有关，而与负载的数量无关，这解决了在S-S拓扑下负载接入或移除时功率跌落或骤升的问题。因此可确定优化目标为负载最大接收功率的稳定，即保证负载所在位置处与A、B、C相线圈互感之和的稳定；
(4)功率稳定性判断：定义F为衡量负载偏移角变化过程中的功率波动程度，Pmax、Pmin分别为最大接收功率下，在负载偏移过程中的最大、最小接收功率，Fmax为系统所允许的最大功率波动率
Figure BDA0002258175480000065
根据式(6)，当负载的波动率小于等于系统所允许的最大功率波动，则可认为所设计的系统符合应用要求。
4.设计发射线圈结构：
(1)设计单相发射线圈：通过上述分析可知，三相LCC-S谐振补偿拓扑可以解决负载接入或者移除带来的功率波动问题，而为了解决负载偏移引起的功率波动问题，建立了如图3所示的单相发射线圈结构图，各线圈臂之间相差60度。而接收线圈采用了最为简单的矩形线圈，单相发射线圈与接收线圈的俯视图如图4所示，θ角为接收线圈的偏移角或者是两接收线圈之间的夹角，原副线圈之间的互感M随着接收线圈偏移角θ的改变而改变；
(2)计算单相收发线圈互感：根据聂以曼公式可以计算得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值M，并且可以得到单相发射线圈与接收之间的互感随偏移角θ的变化特点如图5所示。并且互感变化周期为60°，恰好与发射线圈各桥臂之间的度数相吻合，这说明互感的周期与发射线圈几何结构对应的周期相吻合。但是当接收线圈与发射线圈桥臂垂直时，互感为0，即负载接收功率存在死区，不利于负载接收功率的稳定；
(3)设计三相发射线圈：通过对单相收发线圈互感变化趋势特点，作出三相发射线圈在不同偏移角度下，三相互感之和随偏移角变化的曲线如图6所示。并且根据式(6)可以设计得到图7所示的发射线圈结构。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
步骤一：求解最大负载接收功率：
建立互感等效模型：定义LPA、LPB和LPC分别为A、B、C相的原边补偿电感，LA、LB、LC和LSn分别为A、B、C相发射线圈和接收线圈的电感，CPA、CPB和CPC分别为A、B、C相的原边补偿电容，CA、CB、CC和CSn分别为A、B、C相原边线圈和接收线圈的补偿电容，M为A、B、C相线圈之间的互感，MAn、MBn和MCn(n＝1,2,…)为发射线圈A、B、C与第n个接收线圈之间的互感，
Figure FDA0003611412160000011
和
Figure FDA0003611412160000012
(n＝1,2,…)分别为流过A、B、C相和第n个负载的电流，RLn(n＝1,2,…)表示第n个负载的等效电阻，设RL1＝RL2＝...＝RLn＝RL，LPA＝LPB＝LPC＝LP；
(2)求解负载接收功率：为保证系统处于谐振状态，则系统参数满足
Figure FDA0003611412160000013
考虑到单相LCC谐振补偿拓扑发射线圈具有恒流源特性，并且该结论同样适用于三相LCC谐振补偿拓扑，因此可以将流过原边线圈中的电流表示为
Figure FDA0003611412160000014
其中
Figure FDA0003611412160000015
通过列写KVL方程可以求解得到第n个负载的接收功率为
Figure FDA0003611412160000016
(3)计算最大接收功率：根据式(4)可知，当cosα＝1，cosβ＝1并且cos(α-β)＝1时，即当α＝β＝0°时负载接收到的功率最大，求解基于互感等效模型下的最大输出功率表达式为
Figure FDA0003611412160000021
定义U为输出输入电压有效值，LP为发射线圈的电感值，RL为负载的等效电阻，MAn、MBn和MCn(n＝1,2,…)为发射线圈A、B、C与第n个接收线圈之间的互感；
步骤二：定义功率稳定性判断条件：定义F为衡量负载偏移角变化过程中的功率波动程度，Pmax、Pmin分别为最大接收功率下，在负载偏移过程中的最大、最小接收功率，Fmax为系统所允许的最大功率波动率
Figure FDA0003611412160000022
当负载的波动率小于等于系统所允许的最大功率波动，则可认为所设计的系统符合应用要求；
步骤三：设计发射线圈，包括：
1)设计单相发射线圈，
2)计算单相收发线圈互感，
3)设计三相发射线圈。
2.根据权利要求1所述的多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，其特征在于：三维无线充电应用场景包括展示台、发射线圈、典型接收设备、轨道以及滑块，所述发射线圈放置在展示台的中心，在空间范围内辐射均匀的电磁场，轨道安装在展示台面上，轨道上放置有滑块，用来固定典型接收设备并使得手机正对接收线圈的圆心。
3.根据权利要求2所述的多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述步骤三中，
1)设计单相发射线圈，建立单相发射线圈结构模型，求解得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值随偏移角的变化趋势，掌握互感随偏移角的变化特点；
2)计算单相收发线圈互感：根据聂以曼公式可以计算得到单相发射线圈与接收线圈之间的互感值M，并且可以得到单相发射线圈与接收之间的互感随偏移角θ的变化特点并且互感变化周期为60°，恰好与发射线圈各桥臂之间的度数相吻合；
3)设计三相发射线圈：根据单相收发线圈互感变化特点，合理设计三相发射线圈位置分布，使得系统功率波动满足所允许的最大功率波动。
4.根据权利要求1所述的多负载应用场景下三维无线电能传输系统设计方法，其特征在于：单相发射线圈各桥臂之间的夹角为60°，三相发射线圈由3个三相发射线圈组成，并且相互之间的夹角为20°，并且3个单相发射线圈之间的中心轴重合。
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